Hadronenphysik
Hadronen sind gebundene Zustände von Quarks und Gluonen, die durch die starke Wechselwirkung entstehen. Die uns am besten bekannten sind das Proton und das Neutron, die Bausteine der Atomkerne und damit der Welt um uns herum. Viele weitere solcher Zustände, von denen die meisten extrem schnell zerfallen, sind in der Vergangenheit entdeckt worden, und ihre Eigenschaften füllen ein ganzes Buch, das alle zwei Jahre von der Particle Data Group zusammengestellt wird. Die meisten dieser Zustände lassen sich durch eine Kombination von drei Quarks oder einem Quark und einem Antiquark erklären, einschließlich Anregungen, die verschiedenen radialen, orbitalen oder Spin-Konfigurationen von Quarks entsprechen. Mit dem Aufkommen von leistungsfähigeren Beschleunigern und Detektoren wurden jedoch einige neue und unerwartete Zustände entdeckt. Sie werden allgemein als exotisch bezeichnet, da sie nicht den Vorhersagen des einfachen Quarkmodells entsprechen. Unsere Gruppe trägt zu einem besseren Verständnis des Hadronenspektrums und der Suche nach exotischen Teilchen bei, einem aktuellen Thema in der Teilchenphysik. Mit dem COMPASS-Experiment am CERN untersuchen wir leichte Mesonen, die Up-, Down- und Strange-Quarks enthalten, während wir mit dem ALICE-Detektor nach der Produktion von schwereren exotischen Zuständen suchen, die charm-Quarks enthalten. Mit dem Nachfolger von COMPASS, AMBER, planen wir, mit einem RF-separierten Strahl noch nie dagewesene Messungen von Strange-Mesonen durchzuführen.
In der Quantenchromodynamik wird die Wechselwirkung zwischen Quarks durch den Austausch von Gluonen vermittelt, die an die starke Ladung (Farbe) koppeln, ganz ähnlich wie die Wechselwirkung zwischen elektrisch geladenen Teilchen durch den Austausch von Photonen vermittelt wird. Im Gegensatz zu Photonen sind Gluonen jedoch auch Träger von Farbe und können daher an sich selbst koppeln. Diese Selbstwechselwirkung führt bei stark wechselwirkenden Teilchen zu einer Fülle neuer Phänomene, von denen die wichtigsten das Confinement und die asymptotische Freiheit sind. Eine sehr grundlegende Größe im Zusammenhang mit dem Einschluss von Quarks in einem Hadron ist der Ladungsradius. Für Protonen wurde lange Zeit angenommen, dass diese Größe experimentell bekannt ist. In jüngster Zeit hat eine Diskrepanz zwischen verschiedenen Messungen dieser Größe zu Diskussionen über grundlegende Fragen zu den verwendeten Methoden, zu Fragen der Datenanalyse und auch zu neuen physikalischen Fragestellungen geführt. Mit AMBER planen wir in den nächsten Jahren eine neue hochpräzise Messung des Protonenladungsradius durch elastische Streuung von hochenergetischen Myonen an Protonen.
Spektroskopie bei COMPASS
Bei COMPASS suchen wir immer nach neuer Physik. Ein interessantes Thema ist die Untersuchung von Spin-exotischen Endzuständen. Wie werfen einen Blick auf diffraktiv produzierte Endzustände mit Pion-Strahl unter Verwendung von Daten des COMPASS Experiments und führen darauf Event-Selektionen, Partialwellen-Analysen und Amplituden-Analysen durch. Dies geschieht mit bash- und C++-Code unter Verwendung verschiedenster Bibliotheken wie ROOT, CORAL und PHAST. Wir erstellen auch Monte-Carlo Programme und führen Simulationen auf Computer-Clustern durch.
Hierfür wird kein Vorwissen für Bachelor- oder Masterarbeiten in unserer Arbeitsgruppe vorausgesetzt. Wir freuen uns Sie auf Ihrer Reise durch die Hadronenphysik bei COMPASS zu begleiten.
Für den Fall, dass Ihre Arbeit mit der Strahlzeit zusammenfällt, besteht weiterhin die Möglichkeit den CERN zu besuchen und aktiv bei der Datennahme des neuen AMBER Experiments mitzuhelfen, welches der Nachfolger von COMPASS ist.
Proton-Radius Messung
Eines der Hauptexperimente der neuen AMBER Kollaboration ist die Messung des Proton-Radius. Die CREMA Kollaboration hat in 2010 und 2014 signifikant unterschiedliche Proton-Radien gemessen als frühere Experimente. Diese Diskrepanz wurde bekannt als das Proton-Radius-Puzzle.
Bei AMBER wird der Proton-Radius in einem Streuexperiment zwischen Myonen und Protonen gemessen. Hierbei werden sowohl das Myon als auch das gestreute Proton detektiert. Eine Test-Messung in 2018 hat gezeigt, dass dies möglich ist. Ein Pilot-Run zur Datennahme hat im Oktober 2021 stattgefunden. Ein zweiter Pilot-Run soll im September 2023 und das Hauptexperiment 2024-2026 laufen.
Aktuelle Aufgaben sind die Simulation des Experiments mit Monte Carlo Programmen (basierend auf GEANT4) und die weiterführende Datenalyse des Pilot-Runs von 2021.
Während der Strahlzeit des AMBER Experiments haben Studierende die Möglichkeit, den CERN zu besuchen und bei der Datennahme mitzuhelfen.
Spektroskopie mit ALICE
Das χc1(3872) Meson war das erste beobachtete exotische Meson im Charmonium-Massenbereich, auch bekannt als X(3872). Aus den Daten wurden seine Quantenzahlen JPC = 1++ und seine Masse genau bestimmt. Seine innere Struktur ist noch unbekannt und wird kontrovers als Mesonenmolekül oder kompaktes Tetraquark diskutiert.
Ultrarelativistische Schwerionen-Kollisionen (URHIC) bieten einen neuen Ansatz, um die Strukturen exotischer Zustände systematisch zu untersuchen.
Für LHC-Energien sagen Modellrechnungen für das Molekül-Szenario eine viel höhere Produktion von χc1(3872) voraus als für das Tetraquark-Szenario. Am LHC ist ALICE das spezielle URHIC-Experiment. Mit seinen kürzlich aufgerüsteten Detektoren wird ALICE in der Lage sein, genügend Daten aufzuzeichnen, so dass χc1(3872) in Proton-Proton- und Kern-Kern-Kollisionen in Reichweite geraten könnte. Mit solchen Messungen werden wir in der Lage sein, die Vorhersage phänomenologischer Modelle zu bestätigen oder auszuschließen und somit zur Bestimmung der Struktur dieses exotischen Mesons beizutragen.
Derzeit testet unsere Gruppe den vorbereiteten Code für LHC-RUN3 anhand von Proton-Proton-Daten, die vom ALICE-Experiment während des LHC-Run 2 aufgenommen wurden. Wir versuchen, Signale im Zerfallskanal J/ψπ-π+ zu extrahieren. Sowohl χc1(3872) als auch ψ(2S) zerfallen in diesen Endzustand.
Die Aufgaben reichen von der Analyse der Daten aus Run 2 und 3 bis hin zu Monte-Carlo-Simulationen von Signal und Hintergrund unter Verwendung der ALICE-Analyse-Frameworks AliPhysics und O2. Sie werden auch die Möglichkeit haben, das CERN zu besuchen und an der Datenaufnahme teilzunehmen.